距離選通自主成像自適應(yīng)mcp增益調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及距離選通自主成像領(lǐng)域，尤其涉及一種距離選通自主成像中自適應(yīng) MCP增益調(diào)節(jié)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來以獲取目標(biāo)空間信息為目的的距離選通激光成像技術(shù)在夜視、水下成像、 空間成像、生物醫(yī)學(xué)成像以及三維成像等領(lǐng)域發(fā)展迅速。欲有效抑制環(huán)境雜散光后向散射 的干擾，距離選通自主成像技術(shù)通常選用ns級(jí)脈沖激光作為照明光源，和具有ns級(jí)選通功 能的選通成像器件收集回波信號(hào)，并且在目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)成像器件時(shí)，選通門打開，其他 時(shí)間關(guān)閉。目前國(guó)內(nèi)外用于距離成像技術(shù)的選通成像器件主要有ICXD和ICM0S，即在CCD和 CMOS圖像傳感器前加裝選通選通型像增強(qiáng)器。選通型像增強(qiáng)器不僅僅是作為選通門實(shí)現(xiàn)ns 級(jí)選通作用，更重要的是可以對(duì)弱光信號(hào)放大。選通型像增強(qiáng)器主要由光陰極、微通道板 (MicroChannel Plate，MCP)和熒光屏組成。其中，選通型像增強(qiáng)器對(duì)弱光信號(hào)的放大作用 主要是通過MCP對(duì)經(jīng)由光陰極轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)倍增實(shí)現(xiàn)的，MCP增益越大，對(duì)弱光信號(hào)的 放大作用越強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，一方面MCP增益會(huì)直接影響距離選通自主成像系統(tǒng)的成像信 噪比和對(duì)比度，從而影響后續(xù)信息獲取的準(zhǔn)確性和難易程度，另一方面相同的MCP增益下， 環(huán)境改變時(shí)容易引入強(qiáng)光，從而損壞熒光屏乃至整個(gè)ICXD或ICM0S器件。傳統(tǒng)的MCP增益調(diào) 節(jié)方法是人眼根據(jù)ICCD或ICM0S圖像亮度手動(dòng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方法存在較大的不足:首先 實(shí)時(shí)性較差：當(dāng)人眼看到強(qiáng)光的入侵到手動(dòng)降低MCP增益，可能需要數(shù)秒甚至數(shù)分鐘的時(shí) 間，這個(gè)時(shí)間足以導(dǎo)致熒光屏的損壞;其次，手動(dòng)調(diào)節(jié)MCP增益主觀性大，精度差，難以調(diào)節(jié) 至適合的MCP增益以方便后期的圖像提取及目標(biāo)識(shí)別；最后，在距離選通自主成像系統(tǒng)工作 過程中，無法手動(dòng)調(diào)節(jié)MCP增益，固定的MCP增益限制了距離選通自主成像系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng) 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)MCP增益方法存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的是提出一種 自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)的方法，以實(shí)現(xiàn)距離選通自主成像系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境變化自適應(yīng)地調(diào) 節(jié)MCP增益，以達(dá)到保護(hù)成像器件和增強(qiáng)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的目的。
[0004] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
[0005] -種距離選通自主成像自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)的方法，該方法首先對(duì)圖像進(jìn)行灰度 標(biāo)定，獲取適合后期目標(biāo)提取及識(shí)別的低灰度閾值Gi和高灰度閾值G 2,以及與之對(duì)應(yīng)的低像 素?cái)?shù)閾值仏和高像素?cái)?shù)閾值N2;工作過程中，對(duì)ICCD或I CMOS采集到的圖像進(jìn)行灰度直方圖 分析，得到基于灰度直方圖的分布特征；隨后，根據(jù)灰度直方圖分布特征，統(tǒng)計(jì)灰度值小于 低灰度閾值&的像素個(gè)數(shù)m和灰度值大于高灰度閾值G 2的像素個(gè)數(shù)n2。若112大于高像素?cái)?shù)閾 值N2，則在當(dāng)前圖像MCP增益的基礎(chǔ)上減小MCP增益，減小量為σ;否則，若m小于低像素?cái)?shù)閾 值Ni，則在當(dāng)前圖像MCP增益的基礎(chǔ)上增大MCP增益，增大量為σ;否則，MCP增益維持當(dāng)前值 不變。完成當(dāng)前幀后，進(jìn)入下一幀，并重復(fù)以上過程，在環(huán)境不發(fā)生明顯變化時(shí)，圖像會(huì)在毫 秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在小于灰度閾值61的像素?cái)?shù)小于像素?cái)?shù)閾值Λ、大于灰度閾值62的像 素?cái)?shù)大于像素?cái)?shù)閾值他的狀態(tài)。
[0006] 上述方案中，所述灰度標(biāo)定是指，通過調(diào)節(jié)MCP增益獲取不同平均灰度的目標(biāo)圖 像，通過分析不同平均灰度的目標(biāo)圖像，獲得適合后期目標(biāo)提取和識(shí)別的圖像平均灰度范 圍以及目標(biāo)所占的平均像素?cái)?shù)范圍。標(biāo)定過程中，目標(biāo)、目標(biāo)場(chǎng)景、目標(biāo)距離以及系統(tǒng)參數(shù) 的選取都是根據(jù)實(shí)際的需求選取的，并且在標(biāo)定過程中保持一致;手動(dòng)調(diào)節(jié)MCP增益從低到 高等步長(zhǎng)增大，獲取平均灰度值從低到高的目標(biāo)圖像。后期利用目標(biāo)分割和識(shí)別算法對(duì)獲 取的不同灰度級(jí)的圖片進(jìn)行處理，從而得到適合目標(biāo)分割和識(shí)別的目標(biāo)平均灰度范圍(&， G2)，以及所占像素?cái)?shù)范圍(1犯）。其中，Gi定義為低灰度閾值，G2定義為高灰度閾值，Λ定義 為低像素?cái)?shù)閾值，Ν2定義為高像素?cái)?shù)閾值。
[0007] 上述方案中，所述灰度直方圖分析是對(duì)灰度圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的一種方法，用于 統(tǒng)計(jì)整幅圖像中不同灰度值所占的像素?cái)?shù)?；叶戎狈綀D分析具體包括:逐像素遍歷整幅圖 像，統(tǒng)計(jì)各個(gè)灰度值所占的像素個(gè)數(shù)，然后在橫坐標(biāo)上從左到右按照灰度值從小到大的次 序依次標(biāo)示出各個(gè)灰度值，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)為像素?cái)?shù)。
[0008] 上述方案中，所述對(duì)灰度值小于&的像素個(gè)數(shù)m的統(tǒng)計(jì)，是通過統(tǒng)計(jì)在灰度直方圖 中灰度值&左側(cè)的灰度級(jí)的像素?cái)?shù)的總和得到的;對(duì)灰度值大于G 2的像素個(gè)數(shù)n2的統(tǒng)計(jì)，是 通過統(tǒng)計(jì)在灰度直方圖中灰度值G2右側(cè)的灰度級(jí)的像素?cái)?shù)的總和得到的。
[0009] 上述方案中，所述增大或減小MCP增益，是通過調(diào)節(jié)MCP增益調(diào)節(jié)電壓值來實(shí)現(xiàn)的。 工作中，MCP增益隨著加載在MCP上的高壓的增大而增大，而加載在MCP上的高壓又和MCP增 益調(diào)節(jié)電壓具有線性(線性遞增或線性遞減）的對(duì)應(yīng)的關(guān)系。MCP增益調(diào)節(jié)電壓可以由單片 機(jī)的D/A口輸出提供。實(shí)際工作中，信息處理模塊將數(shù)字化的MCP增益調(diào)節(jié)電壓值通過串口 傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，即MCP增益調(diào)節(jié)電壓 并輸出給選通型像增強(qiáng)器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)MCP增益的調(diào)節(jié)。
[0010] 上述方案中，所述的MCP增益值的改變量〇是在單片機(jī)輸出的MCP增益調(diào)節(jié)電壓改 變量為最小值時(shí)取得的。若單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為Ν，參考電壓為V REF，則單片機(jī)輸出的 MCP增益調(diào)節(jié)電壓的最小改變量△ V為：
[0011]
(1)
[0012] 根據(jù)MCP增益調(diào)節(jié)電壓和MCP增益倍數(shù)之間的單調(diào)性對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系，即可得出在任 何位置MCP增益倍數(shù)的最小改變量。當(dāng)MCP增益調(diào)節(jié)電壓和MCP增益之間單調(diào)線性對(duì)應(yīng)時(shí)，若 單片機(jī)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為N，MCP的最大增益倍數(shù)為Μ，則當(dāng)單片機(jī)輸出的MCP增益調(diào) 節(jié)電壓改變量取最小值時(shí)，MCP增益倍數(shù)的改變量σ也最小，取值為：
[0013]
(2)
[0014] 上述方案中，所述的MCP增益值的改變量σ取值越小，則精度越高，但調(diào)節(jié)至合適的 MCP值的速度越慢，反之亦然。本發(fā)明中MCP增益值的改變量σ取為最小值，這是由于本發(fā)明 提出的自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)方法處理單幅圖像的平均時(shí)間在亞毫米量級(jí)，即使MCP增益值的 改變量σ取為最小，也可在毫米量級(jí)的時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)至合適的MCP值并在環(huán)境不發(fā)生變化時(shí)穩(wěn) 定圖像，滿足實(shí)際需求，同時(shí)保證了以最高的調(diào)節(jié)精度調(diào)節(jié)。
[0015] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0016] 1.利用本發(fā)明，由于通過采用串口通信來調(diào)節(jié)MCP增益，速度快，在環(huán)境中出現(xiàn)強(qiáng) 光時(shí)可在數(shù)毫秒內(nèi)迅速降低MCP增益，相對(duì)于傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)，不僅有效地保護(hù)了成像器 件，并且在強(qiáng)光下依然可正常工作，達(dá)到了強(qiáng)光抑制的作用；
[0017] 2.利用本發(fā)明，由于可對(duì)MCP增益進(jìn)行定量的調(diào)節(jié)，相對(duì)于傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)，精度 大，準(zhǔn)確性高，較易獲得適合后期圖像提取和目標(biāo)識(shí)別的MCP增益。
[0018] 3.利用本發(fā)明，在距離選通自主成像系統(tǒng)中，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)自適應(yīng)的調(diào)節(jié) MCP增益，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0019] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中：
[0020] 圖1是距離選通自主成像自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
[0021]圖2是自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)流程圖。
[0022] 附圖標(biāo)記說明：
[0023] 1是圖像傳感器，2是選通型選通型像增強(qiáng)器，3是單片機(jī)，4是信息處理模塊，5是自 適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明提供的距離選通自主成像自適應(yīng)MCP增益方法是基于圖像傳感器1、選通型 像增強(qiáng)器2、單片機(jī)3、信息處理模塊4和自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊5所構(gòu)成的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，如 圖1所示。其中，選通型像增強(qiáng)器2不僅是作為選通門實(shí)現(xiàn)ns級(jí)選通作用，更重要的是可以對(duì) 微弱的目標(biāo)回波光信號(hào)放大，其中選通型像增強(qiáng)器2對(duì)弱光信號(hào)的放大倍數(shù)（即MCP增益倍 數(shù))和單片機(jī)3輸入到選通型像增強(qiáng)器2的MCP增益調(diào)節(jié)電壓具有單調(diào)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系;放大了 的目標(biāo)回波光信號(hào)被圖像傳感器1收集成像，并由圖像傳感器1上傳圖像至信息處理模塊4; 自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊5將自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)方法由C++語言基于OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫(kù) 編程實(shí)現(xiàn)，并被嵌入到信息處理模塊4中；自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)模塊5對(duì)圖像分析后，產(chǎn)生數(shù) 字化的MCP增益調(diào)節(jié)電壓，并通過串口傳送至單片機(jī)3的數(shù)字I/O 口；單片機(jī)3通過內(nèi)部的D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化的MCP增益調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓并輸出給選通型像增強(qiáng)器2。
[0025] 以下部分將對(duì)自適應(yīng)MCP增益調(diào)節(jié)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。首先通過灰度標(biāo)定獲得適 合后期目標(biāo)提取和識(shí)別的圖像平均灰度范圍以及目標(biāo)所占的平均像素?cái)?shù)范圍。標(biāo)定過程 中，目標(biāo)、目標(biāo)場(chǎng)景、目標(biāo)距離以及系統(tǒng)參數(shù)的選取都是根據(jù)實(shí)際的需求選取的，并且在標(biāo) 定過程中保持一致;手動(dòng)調(diào)節(jié)MCP增益從低到高等步長(zhǎng)增大，獲取平均灰度值從低到高的目 標(biāo)圖像。